Содержание к диссертации
Введение
1 Эксплуатационные дефекты в нефтегазовом оборудовании, их развитие и методы устранения 11
1.1 Классификация дефектов 11
1.2 Механизмы возникновения трещин при статическом и циклическом нагружении 14
1.3 Методы ремонта оборудования с трещинами и восстановления их эксплуатационных свойств 18
2 Объекты и методы исследования 24
2.1 Характеристики сталей и композитных составов, использованных в экспериментах 24
2.1.1 Выбор материала образцов 24
2.1.2 Выбор наполнителя 27
2.2 Методика усталостных испытаний 31
2.3 Статические испытания 39
2.3.1 Методика экспериментального определения максимального напряжения в вершине трещиноподобного дефекта 42
2.3.2 Методика оценки влияния шероховатости на адгезионную прочность соединения 43
2.4 Методы обработки результатов 44
3 Оценка прочности ремонтных соединений 50
3.1 Влияние шероховатости поверхности металла на адгезионную прочность соединения, выполненного методом «холодной сварки» 50
3.2 Определение напряжений в вершине трещиноподобного дефекта расчетным и экспериментальным методами 53
3.2.1 Определение напряжений в образце с трещиноподобным дефектом расчетным методом 54
3.2.2 Определение напряжений в образце с трещиноподобным дефектом экспериментальным методом 63
3.3 Влияние наполнителя на величину напряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Модель расчета 67
4 Оценка долговечности ремонтных соединений 74
4.1 Испытания на малоцикловую усталость 74
4.1.1 Статистическая оценка усталостной прочности образцов 74
4.1.2 Исследование закономерностей роста трещин в ремонтном соединении 81
4.1.3 Определение области эффективного применения метода «холодной сварки» 86
5 Ремонт изделий с применением металлополимеров 95
5.1 Алгоритм ремонтных работ 95
5.2 Методика выполнения ремонтных работ 99
5.3 Результаты промышленного испытания метода ремонта при помощи композитного материала 103
Выводы 106
Список использованных источников 109
Приложения 118
- Механизмы возникновения трещин при статическом и циклическом нагружении
- Определение напряжений в вершине трещиноподобного дефекта расчетным и экспериментальным методами
- Влияние наполнителя на величину напряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Модель расчета
- Определение области эффективного применения метода «холодной сварки»
Введение к работе
В последние годы предпринимаются существенные шаги по обновлению основных фондов нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Однако эти мероприятия не решают в полной мере вопроса обеспечения надежности оборудования, которое длительное время находится в эксплуатации. Замена такого оборудования на новое - процесс постепенный и требует колоссальных материальных, трудовых и экономических ресурсов. Поэтому вопрос продления жизненного цикла уже действующих технических устройств является актуальным для стабильной работы и развития любого предприятия.
Существенное влияние на техническое состояние деталей, узлов или объекта в целом оказывает наличие дефектов, поэтому своевременное их выявление и квалифицированное устранение является гарантией обеспечения безопасности оборудования.
В настоящее время, для восстановления исходных рабочих характеристик конструкций, основным методом при проведении ремонтных работ остается сварка плавлением. Однако возникают ситуации, когда необходимо оперативное вмешательство для устранения дефекта, а остановка оборудования и его подготовка к огневым работам не возможна. С другой стороны, существуют и другие технологии ремонта, позволяющие устранить дефект без огневого вмешательства, но возможность их использования на действующем оборудовании опасных производственных объектов ограничена из-за отсутствия нормативной документации, определяющей область их применения.
В настоящее время во многих областях промышленности широко используются полимерные составы, применяемые для ремонта, известные как метод «холодная сварка». Они стойки к агрессивным средам, не выделяют при полимеризации тепла, способного вызвать возгорание горючих материалов, имеют широкий температурный диапазон использования, способны соединять разнородные материалы, обеспечивая высокую прочность соединения. При применении таких материалов, ликвидация дефекта производится оперативно и в короткие
сроки, в отдельных случаях без остановки производственного процесса. У отремонтированных деталей не возникает послесварочных напряжений и деформаций в околошовной зоне, свойственных после ремонта сваркой плавлением.
Поскольку определяющим критерием качества таких соединений является их прочность, а исследования по улучшению механических характеристик продолжаются, то их использование при выполнении ремонтных работ представляется наиболее перспективным. Однако, для их применения на технологическом оборудовании, необходимо научное обоснование критериев применимости.
Установить область применения метода восстановления работоспособности деталей, имеющих трещиноподобные дефекты, с использованием полимерных композитных материалов на оборудовании, эксплуатируемом в условиях статического и циклического нагружения, с разработкой методики расчета долговечности ремонтного соединения и алгоритма ремонтных работ.
Исследование закономерности скорости роста трещин в образцах с трещиноподобным дефектом из стали 09Г2С, подверженной воздействию циклических нагружений в области малоцикловой усталости и влияние полимерного композитного материала в ремонтном соединении на их рост.
Проведение сравнительного анализа результатов циклического нагружения образцов с трещиноподобным дефектом в области малоцикловой усталости, при наличии в трещине полимерного композитного материала и без него.
Оценка влияния шероховатости поверхности металла пластин, соединенных внахлест полимерным композитным материалом, на адгезионную прочность статическим растяжением.
Разработка алгоритма ремонтных работ и технологии проведения ремонтов трещиноподобных дефектов технических устройств;
Разработка первичной нормативной документации на выполнение ремонтных работ с использованием полимерных композитных материалов.
Установлено предельное значение максимальной упругопластической деформации в зоне концентрации напряжений образцов из стали 09Г2С, составившее 0,36%, для эффективного применения способа холодной сварки, на примере композитного полимерного материала UNIREP-3, при экстренном ремонте изделий с трещиноподобными дефектами, выше которого применение данного способа не целесообразно.
Введен поправочный коэффициент в уравнение Пэриса, позволяющий оценить снижение скорости роста усталостной трещины при заполнении ее полости композитным полимерным материалом типа UNIREP-3, который для стали 09Г2С определяется по формуле крем = 10"2 х Кп''4.
Разработанный метод применения полимерных композитов использован при ремонтах на действующем оборудовании ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»: рационализаторские предложения № 795 от 05.11.2002; № 1699 от 28.03.2003; № 156 от 10.06.2003.
Впервые разработан и введен в действие стандарт предприятия СТО 05766575.403952-2007.50. «Литые чугунные втулки цилиндров для поршневых компрессоров». Предлагаемая технология использована для исправления дефектов литья на обрабатываемых поверхностях.
Метод исправления дефектов апробирован при проведении ремонтов факельного коллектора, резервуара, деталей насосов и компрессоров на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».
Достоверность исследований обеспечивается используемой в работе нормативной базой, применением стандартных методов исследований с использованием методов математической статистики. Полученные автором основные результаты согласуются с известными закономерностями о механизмах разрушения и экспериментальными данными других исследователей.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на второй научно-технической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2005» (Уфа, 2005 г.), IV Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского» (Тамбов, 2009 г.), XIV Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 2010 г.).
По материалам диссертации опубликовано шесть работ, в том числе 1 статья помещена в издании, включенном в перечень ВАК РФ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Механизмы возникновения трещин при статическом и циклическом нагружении
Но это, практически, невыполнимая задача, связанная с отсутствием полной информации обо всех изменениях по стадиям изготовления, обработки и эксплуатации, происходящих в металле конструкций. Поэтому механика разрушения рассматривает механизмы образования трещин, как усталостное или коррозионное растрескивание под напряжением, а также образование трещин в присутствии водорода.
Усталостное растрескивание происходит под действием статических или циклических нагрузок [33]. Образование трещин возможно в результате пластических деформаций от действия этих нагрузок, но механизмы возникновения трещин в результате воздействия на конструкцию статических или циклических нагрузок различны.
Для возникновения трещин при статических нагрузках, которые несравнимо ниже расчетного предела текучести, необходимы дополнительные факторы, оказывающие с течением времени отрицательное воздействие на упругие характеристики стали [34]. Под такими факторами надо понимать коррозию или изменение физико-механических свойств металла по ходу эксплуатации. Образование трещин в материалах под действием окружающей среды может зарождаться даже при низких напряжениях, чаще всего локально. Локальная концентрация напряжений возникает в результате язвенной или межкристаллитной коррозии при действии механических нагрузок. Такое образование трещин в механике разрушения принято называть коррозией под напряжением. Примеры язвенной коррозии материала и межкристал-литного растрескивания приведены на рисунках 1.3 и 1.4.
Трещины в процессе коррозии под напряжением могут образовываться внутри кристаллических зерен или по их границам в зависимости от среды. Существует мнение, что в некоторых случаях причиной коррозионного растрескивания может быть водород, выделяемый во время коррозии. При наличии даже небольшого количества этого газа происходит резкое снижение пластических характеристик стали с образованием хрупких трещин. Возникновение трещин от действия водорода происходит и в высокопрочных сталях после определенного периода длительного нагружения (статическая усталость). Это связано с тем, что атом водорода может диффундировать очень быстро - водород концентрируется в областях перед трещиной. Его концентрация может вызвать большие напряжения, при этом образование трещин будет продолжаться. Разрушение под действием водорода носит внутрикристаллический характер, подобно коррозии под напряжением в сталях. Механизм роста трещины сходен по принципу развития с поверхностным разрушением сколом.
Возникновение трещин в результате циклических пластических деформаций возможно под действием циклических нагрузок даже при номинальном напряжении, намного ниже предела упругости [35]. Локальные напряжения, из-за наличия концентраций напряжений на включениях или механических повреждениях, могут оказаться выше предела текучести [36]. Следовательно, пластические деформации образуются локально.
Принцип зарождения усталостных трещин в локальных пластических деформациях основан на том, что в той части цикла, когда нагрузка возрастает, на наиболее удачно расположенной плоскости происходит сдвиг. На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении происходит уже на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг на первой поверхности затруднен механическим упрочнением образованной поверхности. В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях продолжающего пластического течения вдавливание перерастает в трещину. Этот принцип сохраняется и в случае, когда в процессе циклического нагружения напряжения остаются растягивающими.
Практически все выявляемые в результате технической диагностики или экспертизе промышленной безопасности дефекты, кроме допустимых [26], подлежат обязательному устранению. Главенствующую роль в ремонт-но-восстановительных мероприятиях играют методы с применением технологий сварки, пайки, наплавки с операционной или последующей термической обработкой или без нее. Существуют и другие технологии ремонта, без использования огневых методов, но в очень ограниченном диапазоне применения. Отчасти это связано с их малой изученностью.
Все дефекты оборудования, полученные в результате изготовления или приобретенные при эксплуатации, выступают концентраторами напряжений. Результатом таких локальных концентраций напряжений, как правило, становятся трещины. Природа образования трещин различна, но их влияние на прочность любой конструкции идентична [37]. Прочность конструкции уменьшается с ростом длины трещины, причем, чем длиннее трещина, тем выше скорость её развития. Таким образом, своевременный и качественный ремонт преследует две основные цели: - прекращение распространения или роста существующего дефекта, дальнейшее развитие которого может привести к разрушению конструкции; - устранение любого вида концентрации послеремонтных напряжений, которые могут привести к образованию трещин.
Определение напряжений в вершине трещиноподобного дефекта расчетным и экспериментальным методами
Определение значений напряженно-деформированного состояния в вершине надреза глубиной / =5, 10 и 15 мм осуществлялось расчетным и экспериментальным методами. Геометрические параметры исследуемого образца для моделирования процесса статического растяжения и проведения экспериментов приведены на эскизе рисунка 3.2
Для теоретической оценки напряженно-деформированное состояние (НДС) в вершине искусственной трещины в свободном и заполненном полимером состоянии выполним расчеты методом конечных элементов (МКЭ) [81].
Механика разрушения [82,83,84] является областью, в которой исследователи достигли значительных успехов в эффективном использовании МКЭ [85]. В этом методе оценки НДС используется вычислительная механика, которая базируется на методе дискретизации, с помощью которого непрерывная математическая модель преобразуется в дискретную модель, состоящую из конечного числа свобод. Обычно все степени свободы собираются в матричный вектор U, называемый вектором состояния.
В аналитической механике каждой степени свободы соответствует сопряженная переменная, представляющая собой обобщенную силу. Эти силы объединяются в матричный вектор, обозначаемый F, который имеет смысл внешней работы (силы).
Линейное соотношение этих векторов выражается следующим основным уравнением: где К - для универсальности называется матрицей жесткости. Заметим, что если соотношение между силами и перемещениями линейное, но не однородное, то уравнение 3.1 приобретает следующий вид:
Здесь Fi - узловой вектор начальных сил, который возникает, например, при решении задач термоупругости для-учета начальных температурных напряжений; FM - вектор механических сил.
После определения узловых перемещений, в соответствии с известными соотношениями теории упругости, могут быть определены деформации и напряжения.
Основа физической концепции МКЭ - это разбиение математической модели конструкции на непересекающиеся компоненты простой геометрии. Множество простых элементов типа стержня, трубы, балки, бруса, на которые разбита конструкция, называется конечно-элементной сеткой. Геометрия элемента определяется расположением узловых точек.
Для примера рассмотрим упругопластическую задачу, где зависимость напряжение-деформация нелинейная. Поэтому удобно применить такой подход, при котором постепенно увеличивают нагрузку, и на каждом шаге такого увеличения следят за получаемым результатом. В целях упрощения ограничимся случаем, когда в качестве внешних нагрузок используются лишь внешние силы. При этом будем полагать, что в теле возникает упругопласти-ческое состояние и что необходимо найти соответствующее упругопластическое решение. Эту задачу будем формализовать в приращениях. При этом необходимо давать приращения нагрузке и на каждом шаге приращения искать решение. К каждому полученному решению добавляется следующее, вновь найденное решение до тех пор, пока нагрузка не достигнет заданного значения. Таким образом, можно записать
Влияние наполнителя на величину напряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Модель расчета
Современное состояние механики разрушений позволяет достаточно точно решать задачи прогнозирования поведения конструкций с трещинами в условиях различного напряженно-деформированного состояния. Как правило, модельные уравнения, используемые для решения этих задач, рассматривают трещину как несплошность, заполненную воздухом. Во многих случаях такой подход оправдан. Однако в реальных условиях трещина бывает заполнена некоторой средой (материалом), свойства которой отличны от свойства воздуха [87]. В силу этого, поведение такой трещины имеет особенности, для описания которых классических модельных уравнений недостаточно. Это подтверждается и результатами испытаний на усталостную долговечность. Результаты, полученные при проведении испытаний на воздухе, отличаются от результатов аналогичных испытаний, проводимых в присутствии жидкой среды. При предлагаемой ремонтной технологии полость трещины заполняется материалом, свойства которого весьма значительно отличаются от свойств воздуха и жидких сред. Значит существующие модельные уравнения, основанные на рассмотрении трещины как воздушной полости в металлической матрице, очевидно, не могут адекватно описать поведение конструкции. Это обосновано рядом причин: 1 При нагружении конструкции с заполненной трещиной материал, который находится в полости трещины, воспринимает часть общей нагрузки, чего не происходит в случае, когда в полости находится воздух. Таким образом, напряженно-деформированное состояние как в вершине трещины, так и в нетто-сечении будет иным. 2 Может значительно быть ослаблено или вовсе исключено действие механизма закрытия трещины, влияние которого на циклическую долговечность хорошо известно. Это связано с тем, что берега трещины разделены слоем материала наполнителя. 3 В реальных условиях эксплуатации оборудования исключается воздействие на вершину трещины сред, влияющих на их рост и прочность конструкций. Рассмотрим влияние заполнителя при одноосном циклическом растяжении-сжатии. Известно, что коэффициент интенсивности Ki есть мера всех напряжений и деформаций для трещин типа I. Иными словами, поле напряжений определяется коэффициентом интенсивности напряжений. Зная критическое значение Кь полученное в результате испытаний, можно рассчитать прочность такого же материала с трещинами любых размеров, или какой размер трещины допустим в материале, напряженном до заданного уровня. Таким образом, ставится задача получения такой дополнительной поправочной функции, которая при введении в формулу нахождения Кь должна изменить коэффициент интенсивности, в зависимости от механических свойств наполнителя. Постановка задачи для условия плоского деформирования [35] определяется следующими критериями: - пластина имеет конечную длину / 2,5/г и ширину t; - на пластине расположена трещина, длиной h; - толщина пластины Ъ достаточна, чтобы имело место условие плоского деформирования. В этом случае при испытаниях должно соблюдаться неравенство: b h 2b; - деформация считается упругой. Решение поставленной задачи выполнили на основании уравнения податливости материалов: где А/ — перемещение расчетной области точек от действия внешних растягивающих нагрузок при отсутствии роста трещины; F - продольная нагрузка от воздействия внешних сил. где N! и N2 - продольные силы на участках без трещины (1) и с заполненной трещиной (2) поперечного сечения. С другой стороны, имеем условие упругой деформации. Тогда из энергетического принципа Гриффитса [35], в отсутствие роста трещины, перемещение будет пропорционально нагрузке А/-С F. Для части пластины без трещины податливость можно выразить через длину 1, ширину (t — h) и толщину b пластины (рисунок 3.7). Тогда уравнение податливости примет вид: Е - модуль Юнга. В условиях одноосного растяжения-сжатия абсолютная деформация А1; участков 1 (без трещины) и 2 (с заполненной трещинной) определятся по формулам: До достижения рабочих напряжений а на участке 2 предельных значений dp и тсж (временное сопротивление материала при растяжении и сжатии соответственно) участки 1 и 2 деформируются в условиях совместной деформации, т.е. А/, = А/2. Тогда, решая систему уравнений, определим продольные силы N] и N2. Полученные по ходу решения уравнений 3.13 отношения t/h и Ei/E2 обозначим как а = у,, е = уС и найдем iV,, затем N2.
Определение области эффективного применения метода «холодной сварки»
Для определения области эффективного применения предлагаемого метода необходимо понимание того, насколько точны результаты, полученные экспериментальным путем. Для возможности сравнения характеристик циклической трещиностойкости образцов ОТ и ОТН по отношению к результатам, полученным расчетным путем при помощи уравнения Пэриса, использовали результаты испытаний на малоцикловую усталость (таблицы 16, 17, 18). Из уравнения Пэриса: где V - скорость роста трещины (м/цикл) расчет коэффициента интенсивности примет вид: где С, п - характеристики циклической трещиностойкости. Для стали 09Г2С С = Сравнили значения скорости роста трещины при её росте в процессе циклирования для трёх случаев: без её ремонта в процессе испытаний, с ремонтом и по уравнению Пэриса (рисунок 4.6).
Зависимость скорости роста трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжений для стали 09Г2С, полученная по уравнению Пэриса, построена с учетом данных рисунка 2.34 и предложенных характеристик циклической трещиностойкости [91]. Построение прямых роста трещин с наличием в их полости композитного наполнителя и без него выполнено по результатам испытаний образцов на малоцикловую усталость.
Зависимости скорости роста усталостной трещины от коэффициента интенсивности напряжений, построенные по результатам экспериментов и уравнению Пэриса, имеют расхождение не более 5%. Наклон прямой 3 указывает на тот факт, что в одинаковых условиях нагружения, но при наличии в полости трещины наполнителя, скорость роста снижается не менее чем на 20%.
В связи с этим, для определения скорости роста трещины при условии заполнения её полости полимерным композитным материалом в уравнение Пэриса предложено ввести поправочный коэффициент, который представляет собой отношение функций, описывающих приведенные на рисунке 6 зависимости. где Vn - скорость роста трещины, полученная по уравнению Пэриса; Урал. скорость роста трещины при наличии в ее полости наполнителя.
В данной работе для стали 09Г2С поправочный коэффициент, позволяющий определить скорость роста усталостной трещины при заполнении ее полости композитным полимерным материалом типа UNIREP-3, принимает следующий вид: или после преобразования где Кп - коэффициент интенсивности напряжений, полученный по уравнению Пэриса.
Для определения области эффективного применения композитного материала значения относительной деформации получили двумя методами: расчетным и путем измерения величины максимального прогиба при помощи специального приспособления с индикатором ИЧ-10, как описано в главе 2.5.
Расчетные значения относительной деформации в упругопластической области определили через коэффициенты концентрации напряжений и деформаций. Коэффициент концентрации деформаций Ке где aa - теоретический коэффициент концентрации (упругое решение); jn - относительное номинальное напряжение; п — постоянная, принимаемая равной 0,5; т0 — показатель упрочнения в упругопластической области
